(57)【要約】種々の実施形態では、ワークピースは、レーザ処理ビームの形状および／または１つ以上の他のパラメータが改変されながら、例えば、溶接または切断を介して、処理される。レーザ処理ビームの形状および／または１つ以上の他のパラメータは、ワークピースの１つ以上の特性に基づいて変動されてもよい。本発明の実施形態によると、成形可能出力ビームを有するレーザシステムが、金属材料の切断および溶接等の材料処理タスクを最適化および簡略化するために利用される。例えば、本発明の実施形態によると、レーザシステムの出力ビーム形状は、レーザビームに提示される部品の厚さおよび／または部品の角度が変動するにつれて、（例えば、ガウス状の集束スポットビームからより大きい面積の環状ビームに）改変される。
2019523137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースを処理する方法であって、前記方法は、
レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間に相対的運動を生じさせ、処理経路を画定することであって、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、前記処理経路に沿って変動し、前記レーザ出力ビームは、前記処理経路の少なくとも一部に沿って、前記ワークピースの表面を物理的に改変する、ことと、
その間、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと環形との間で変動される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、少なくとも部分的に、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度の変化に起因して変動する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザ出力ビームの形状は、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度を略一定に維持しながら、改変される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の相対的運動の間、前記ワークピースの厚さを測定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの組成に基づいて改変される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
レーザ出力ビームの放出のためのビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記レーザ出力ビームの位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記レーザ出力ビームの形状を改変するための手段と、
前記位置付けデバイスおよび前記形状改変手段に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、（ｉ）前記ビームエミッタを動作させ、前記レーザ出力ビームに、前記ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、その表面を物理的に改変させ、（ｉｉ）少なくとも部分的に、前記経路に沿った前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変する、コントローラと
を備える、システム。
【請求項９】
前記ビームエミッタは、そこから前記レーザ出力ビームが放出される処理ヘッドを備え、前記形状改変手段は、（ｉ）前記処理ヘッド内の１つ以上の光学要素と、（ｉｉ）前記処理ヘッド内の前記光学要素のうちの少なくとも１つの位置を改変するための第２のコントローラとを備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記経路に沿って、前記ビームエミッタの出力パワーを変動させるように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記ワークピースの組成に基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を変動させるように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
複数の記録を含むデータベースをさらに備え、前記複数の記録のそれぞれは、レーザ出力ビーム形状をワークピースパラメータと関連させる、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ワークピースパラメータは、ワークピース厚およびワークピース組成のうちの少なくとも１つを備える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記レーザ出力ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と
を備え、前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
第１および第２のワークピースを処理点において継合する方法であって、前記第１および第２のワークピースは、前記処理点において、相互に重複および／または近接し、前記方法は、
レーザ出力ビームを前記処理点に近接して集束させ、前記第１または第２のワークピースのうちの少なくとも１つの一部を溶融し、それによって、前記第１および第２のワークピースをともに継合することと、
その間、前記レーザ出力ビームと前記第１および第２のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させることと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
最小スポットサイズに集束可能なレーザ出力ビームを使用して、前記最小スポットサイズより大きい空間範囲を有する溶接を用いて、第１および第２のワークピースを継合する方法であって、前記方法は、
前記レーザ出力ビームを前記第１または第２のワークピースのうちの少なくとも１つ上に集束させ、その溶融を生じさせることと、
前記レーザ出力ビームと前記第１および第２のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させ、前記溶接のサイズを増加させることと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
ビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記ビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、
前記ビームの形状を変動させるためのビーム成形器と、
前記位置付けデバイス、前記偏光器、および前記ビーム成形器に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、前記ワークピースの処理のために、前記ビームエミッタを動作させ、前記ビームに前記ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、少なくとも部分的に、前記ワークピースの１つ以上の性質に基づいて、前記経路に沿って、前記ビームの偏光および／または形状を変動させる、コントローラと
を備える、システム。
【請求項２２】
前記コントローラは、前記ビームが前記経路をトラバースするにつれて、前記経路と略平行な偏光方向を有する、前記ビームの線形偏光を維持するように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラは、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記ビームの偏光の偏心を変動させるように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記コントローラは、線形偏光状態と半径方向偏光状態との間で前記ビームの偏光を変動させるように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を備え、前記回転要素は、前記コントローラによって動作される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記波プレートは、半波プレートまたは４分の１波プレートのうちの少なくとも１つを備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記ビームは、線形に偏光され、前記コントローラは、前記回転要素を動作させ、前記経路と平行な偏光方向を維持する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記可変偏光器は、補償器プレートと、前記補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、前記固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジと、平行移動要素とを備え、前記平行移動要素は、前記コントローラによって動作される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記可変偏光器は、半径方向偏光コンバータを備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記コントローラにアクセス可能なメモリであって、前記メモリは、前記経路に対応するデータを記憶する、メモリと、
複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースと
をさらに備え、前記コントローラは、前記データベースにクエリし、前記ワークピースの材料に関する前記偏光データを取得し、少なくとも部分的に、前記偏光データに基づいて、前記ビームの偏光を変動させるように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記経路は、少なくとも１つの指向性変化を含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記ビームエミッタのビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と
を備え、前記ビームエミッタのビームは、複数の波長から成る、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置された光学要素であって、前記光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変させる、光学要素と、
前記ビームの経路内の前記光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
前記レンズ操作システムは、前記光学要素を前記ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３８】
前記集束レンズと前記ワークピースとの間に配置される第２の光学要素をさらに備え、前記レンズ操作システムは、前記ビームの経路内の前記第２の光学要素の位置を変化させるように構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３９】
前記第２の光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記第２の光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記第２の光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置された第１および第２の光学要素であって、前記第１および第２の光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変する、第１および第２の光学要素と、
（ｉ）前記ビームの経路内の前記第１の光学要素の位置、（ｉｉ）前記ビームの経路内の前記第２の光学要素の位置、または（ｉｉｉ）前記第１および第２の光学要素間の距離のうちの少なくとも１つを変化させるためのレンズ操作システムと
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項４３】
（ｉ）前記第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを備え、（ｉｉ）前記第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを備える、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で前記第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４５】
前記第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、前記第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを備え、
前記第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、前記第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４６】
前記レンズ操作システムは、前記第１の光学要素または前記第２の光学要素のうちの少なくとも１つを前記ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、請求項４２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１６年７月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／３６２，８２４号および２０１６年９月９日に出願された米国特許出願第１５／２６１，０９６号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、これらの各々の全体の開示は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
種々の実施形態では、本発明は、成形可能ビームおよび／または可変ビーム偏光を有する高パワーレーザデバイスを利用する、材料の処理（例えば、溶接または切断）に関する。
【背景技術】
【０００３】
高パワーレーザは、多くの切断、エッチング、アニーリング、溶接、穿孔、およびはんだ用途において使用される。任意の材料処理動作におけるように、効率は、費用および時間の観点から、重要な限界要因であり得る。すなわち、効率が低いほど、コストが高くなり、かつ／または所与の材料を処理するために展開されるレーザの動作が遅くなるであろう。レーザビームの明るさおよび偏光は、効率に影響を及ぼし得、異なる材料（銅、アルミニウム、鋼鉄等）は、それらが処理されるにつれて、ビーム偏光に異なるように応答する。さらに、これらの材料の厚さも、その偏光応答に影響を及ぼし得る。すなわち、切断または溶接の性質は、材料およびその厚さに応じて、ビーム偏光に伴って変動し得る。例えば、線形に偏光された処理ビームは、切断正面に対するビームの偏光の配向に応じて、異なるように吸収され得る。本理由から、レーザ−処理システムは、指向性依存偏光応答を回避するために、時として、円形またはランダムに偏光されたレーザ出力を利用する。そのアプローチは、好ましくない偏光配向の効率低下結果を回避するが、同様に、好ましい配向の利点も除外する。
【０００４】
加えて、高パワーレーザシステムは、多くの場合、そこからのレーザ光が光ファイバ（または単に「ファイバ」）の中に結合される、レーザエミッタと、ファイバからのレーザ光を処理されるべきワークピース上に集束させる、光学システムとを含む。光学システムは、典型的には、最高品質レーザビーム、または言い換えると、最低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）を伴うビームを生産するようにエンジニアリングされる。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と、その最狭点（すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ）におけるビームの半径の積である。ＢＰＰは、レーザビームの品質および小スポットに集束され得る程度を定量化し、典型的には、ミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表される。（本明細書に開示されるＢＰＰ値は、別様に示されない限り、ｍｍ−ｍｒａｄの単位である。）ガウスビームは、円周率によって除算されるレーザ光の波長によって求められる、最低可能ＢＰＰを有する。同一波長における実際のビームのＢＰＰの、理想的ガウスビームに対する比は、Ｍ２として示され、これは、ビーム品質の波長独立測定値である。
【０００５】
ＷＢＣ等の技法は、様々な用途のためのレーザベースのシステムの生産に成功を収めているが、材料処理課題は、残ったままである。例えば、特定の材料を特定の厚さにおいて切断するために最適化されたビーム形状を有するレーザは、異なる材料、異なる厚さを有する材料、および可変厚を有する材料に好適ではない場合がある。溶接プロセスは、類似課題を提示する。さらに、従来の高集束レーザビームの限定された空間範囲に起因して、溶接プロセスは、典型的には、レーザビームと溶接されている部品との間の相対的運動を要求し、そのような運動は、複雑かつ高価なロボット、可動式ガントリ、および／または他の機器を要求し得る。可動ビームを伴う複数のレーザシステムを利用する技法が、開発されている（例えば、米国特許第９，３３５，５５１号参照、その全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）が、複数のレーザシステムの使用は、多くの場合、非常に高価である。したがって、より広い種々の材料プロセスに可能な個々のレーザシステムの必要性が存在する。
【０００６】
多くのレーザ処理用途では、所望のビームスポットサイズ、発散、およびビーム品質は、例えば、処理のタイプおよび／または処理されている材料のタイプに依存して変動し得る。そのような変更をレーザビームのＢＰＰおよび／または形状に行うために、頻繁には、出力光学システムまたは光ファイバが、他の構成要素と交換および／または再整合されなければならず、時間がかかり、かつ高価なプロセスとなり、これはさらに、レーザシステムの脆弱な光学構成要素の不注意な損傷につながり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第９，３３５，５５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
故に、また、異なる材料および材料厚さを特徴付ける、ビーム偏光および／または他のビーム特性（例えば、ＢＰＰおよび／またはビーム形状）に対する変動する応答を活用する、レーザ処理動作の効率を向上させるための改良されたシステムおよび技法の必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態によると、成形可能出力ビームを有するレーザシステムが、金属材料の切断および溶接等の材料処理タスクを最適化および簡略化するために利用される。例えば、本発明の実施形態によると、レーザシステムの出力ビーム形状は、レーザビームに提示される部品の厚さおよび／または部品の角度が変動するにつれて、（例えば、ガウス状の集束スポットビームからより大きい面積の環状ビームに）改変される。他の例示的実施形態では、レーザシステムの出力ビームは、溶接プロセス（例えば、スポット溶接、突合わせ溶接、または重ね溶接）の間、改変され、レーザビームと処理されているワークピースとの間の任意の（または最小限の）相対的運動を伴わずに、大面積溶接を形成する。
【００１０】
本発明の実施形態はまた、処理の間、ビームの偏光および／または他の特性（例えば、ＢＰＰ、形状）を改変および最適化し、処理全体を通して、例えば、ビーム経路が変動する、または材料の性質または厚さが変化しても、ビームの最適特性を維持するシステムおよび技法を提供する。
【００１１】
本発明の実施形態は、ワークピースの厚さが変化するにつれて、および／または異なる厚さのワークピースに対して、ビームの偏光を改変し得る。例えば、ビームの偏光の真円度（すなわち、線形から、楕円形、円形に変化する程度であって、変動する寸法および曲率の任意の数の楕円形が、完全線形と完全円形との間に可能性として考えられる）が、ワークピースの厚さが増加するにつれて、ビームをより円形にするために改変され得る（例えば、線形から楕円形に、あまり円形ではない楕円形からより円形の楕円形に、楕円形から円形に等）。（種々の実施形態では、偏光の真円度は、楕円形偏光の偏心に反比例し、偏心０は、円形偏光を表し、偏心１は、線形偏光を表す。）種々の実施形態では、ビームの偏光状態は、少なくとも部分的に、任意の偏心度の持続的に可変の偏光を可能にする、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器の使用を介して、改変される。本発明の実施形態はまた、例えば、ビームの集束をより小さいスポットサイズにもたらすために、ビームの偏光を線形から半径方向に変動させ得る。
【００１２】
本発明の実施形態は、典型的には、単に、光を用いて表面をプローブする、光学技法（例えば、反射率測定）とは対照的に、ワークピースの表面が物理的に改変するように、および／または特徴が表面上もしくは表面内に形成されるように、ワークピースを処理するために利用される。本発明の実施形態による、例示的プロセスは、切断、溶接、穿孔、およびはんだを含む。本発明の種々の実施形態はまた、ワークピース表面の全てまたは実質的に全てをレーザビームからの放射で満たすのではなく、１つ以上のスポットにおいて、もしくは１次元処理経路に沿って、ワークピースを処理する。
【００１３】
本発明の実施形態は、レーザビームを成形し、ビーム品質（特に、ＢＰＰ）および／またはビームの形状を修正する、所望の空間ビームプロファイルを達成することが可能な光学要素を使用する。より具体的には、その位置をレーザビームの光学軸に対して横方向または縦方向に移動もしくは変位させることによる光学要素の光学幾何学形状の変化が、形状および／またはＢＰＰを変動させるために利用されてもよい。本発明の実施形態では、光学要素は、ビーム経路内に位置し、その位置に応じて、異なるビーム偏向または回折を生産する切替可能な状態を伴う。本発明の実施形態による光学要素の使用は、入力レーザビームに対応する形状、品質、波長、帯域幅、およびビームの数にかかわらず、形状および／またはＢＰＰの変動を可能にする。制御可能に可変の形状および／またはＢＰＰを伴う出力ビームは、溶接、切断、穿孔等の用途においてワークピースを処理するために使用されてもよい。本明細書で利用されるように、レーザビームの「形状」の変化は、ビームの形状および幾何学的範囲の改変（例えば、ビームが表面と交差する点において）を指す。形状の変化は、ビームサイズ、ビームの角度強度分布、およびＢＰＰの変化に付随して起こり得るが、ビームＢＰＰの単なる変化は、必ずしも、レーザビーム形状を変化させるために、およびその逆のために十分ではない（例えば、異なる形状であるが、同一ＢＰＰを有する、２つのビームを描写する、図２１参照）。
【００１４】
可変形状および／またはＢＰＰの１つの利点は、異なるタイプの処理技法または処理されている異なるタイプの材料のための改良されたレーザ用途性能である。本発明の実施形態はまた、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号、２０１５年６月２３日に出願された米国特許出願第１４／７４７，０７３号、２０１５年９月１４日に出願された米国特許出願第１４／８５２，９３９号、２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号、および２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号（それぞれの開示は、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる）に説明されるレーザビームの変動するＢＰＰおよび／または形状のための種々の技法を利用してもよい。加えて、光学要素（屈折光学）によって誘発される異なるビーム強度分布は、ビーム品質、したがって、ＢＰＰを修正する。ビーム経路内に異なる効果的光学幾何学形状を有する光学要素の平行移動（例えば、モータ駆動平行移動）を使用することによって、形状および／またはＢＰＰのリアルタイム動的変化が、実現され得る。
【００１５】
レーザビーム成形は、ビームの強度（放射照度）および位相を再分布させるプロセスである。ガウス、ベッセル、環状、多モード、長方形、シルクハット、楕円形または円形、および異なる強度プロファイル等のビームプロファイルを画定する強度分布は、具体的レーザ材料処理技法のために重要かつ必要であり得る。（本明細書で利用されるように、「環状」ビームは、リング形状である、すなわち、より高いビーム強度の領域によって囲繞される中心部分に殆どまたは実質的に全くビーム強度を有していないが、しかし、必ずしも、円形ではない。つまり、「環状」ビームは、卵形形状または別様に準環状であってもよい。）本発明の実施形態では、光学要素は、レーザビームをワークピースに送達し、レーザを集束させる、送達システム内に位置する。送達システムは、例えば、切断ヘッドもしくは溶接ヘッドの少なくとも一部として構成および／またはパッケージ化されてもよい。本発明の実施形態は、ワークステーション（および／またはその上に配置されるワークピース）において制御可能に可変の形状および／またはＢＰＰを可能にするために、ビーム品質を変動させる。可変形状および／またはＢＰＰモジュールは、１つ以上の光学要素と、モータ駆動平行移動段と、コリメートレンズと、集束レンズとを含んでもよい。本発明の実施形態は、形状および／またはＢＰＰを変動させるために使用される光学要素のための複数のタイプの屈折光学のうちの任意の１つ以上のものを特徴としてもよい。
【００１６】
本発明の実施形態は、レーザビームの光学経路内の１つ以上の光学要素の位置を動的に変化させることによって、ビーム品質を変動させる。一実施形態では、ビームプロファイルは、光学要素上のビーム指向位置を調節することによって調整される。光学要素は、所望のビームプロファイル、したがって、ＢＰＰに依存する、異なる幾何学形状を有してもよい。本発明の実施形態による１つの光学要素は、平面表面および平坦上部（すなわち、切頭）円錐形表面を有する。本発明の実施形態による別の光学要素は、平面表面および平坦上部球形表面を有する。本発明の実施形態によるさらに別の光学要素は、メニスカスレンズである。ビーム送達ファイバからの発散光線は、光学要素に向かって指向され、光学要素内のビーム強度を再分布させる。本発明の実施形態による他の光学要素は、対合されたポジ型およびネガ型アキシコンレンズを含む。他の実施形態では、光学要素は、対を成す相補的位相プレートレンズを含み、そのうちの１つは、部分的凸面表面を有し、そのうちの１つは、相補的部分的凹面湾曲表面を有する。光学要素の縁は、回折効果を抑制するために丸くされてもよい。光学要素の自動化された移動を用いたＢＰＰの動的変動の利点が、例えば、自由形態切断の間のＢＰＰ変化が要求される、丸形切断または正方形切断角上におけるレーザ切断用途に適用されてもよい。そのような利点はまた、ＢＰＰおよび焦点距離の両方を変動させる能力を利用し得る、レーザ穿孔用途に適用されてもよい。本発明の実施形態による光学要素の自動化された閉ループモータ制御は、信頼性および再現性性能をもたらし、光学位置の精密な制御を可能にし、それによって、正確なＢＰＰ変動を提供する。
【００１７】
本明細書で、「光学要素」とは、別様に示されない限り、電磁放射線を再指向し、反射し、屈曲し、または任意の他の様式で光学的に操作する、レンズ、鏡、プリズム、格子、および同等物のうちのいずれかを指し得る。本明細書で、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザエミッタ、もしくはレーザは、電磁ビームを生成するが、自己共振である場合もあり、そうではない場合もある、半導体要素等の任意の電磁ビーム生成デバイスを含む。これらはまた、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非ソリッドステートレーザ等も含む。概して、各エミッタは、後反射表面と、少なくとも１つの光学利得媒体と、前反射表面とを含む。光学利得媒体は、電磁スペクトルの任意の特定の部分に限定されないが、可視光、赤外線、および／または紫外線であり得る、電磁放射線の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放出するように構成されるダイオードバー等の複数のビームエミッタを含んでもよい、または本質的にそれから成ってもよい。本明細書の実施形態で受容される入力ビームは、当技術分野で公知である種々の技法を使用して組み合わせられる、単波長または多波長ビームであってもよい。加えて、本明細書における「レーザ」、「レーザエミッタ」、または「ビームエミッタ」の言及は、単一ダイオードレーザのみではなく、また、ダイオードバー、レーザアレイ、ダイオードバーアレイ、および単一またはアレイの垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。
【００１８】
本発明の実施形態は、多波長ビームを形成するように分散要素を使用して組み合わせられる、１つ以上のダイオードバー等の複数のエミッタを含む、波長ビーム結合（ＷＢＣ）システムとともに利用されてもよい。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿って分散要素によってフィルタにかけられる共通部分反射出力結合器から、波長特異的フィードバックを通して安定させられる。例示的ＷＢＣシステムは、それぞれの開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号で詳述される。ＷＢＣシステムの多波長出力ビームが、例えば、ＢＰＰ、形状、および／または偏光制御のために、本発明の実施形態と併せて、入力ビームとして利用されてもよい。
【００１９】
ある側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理する方法を特徴とする。処理経路は、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間に相対的運動を生じさせることによって画定される。レーザ出力ビームと平行な方向に沿ったワークピースの厚さは、処理経路に沿って変動する。レーザ出力ビームは、処理経路の少なくとも一部に沿って、ワークピースの表面を物理的に改変する。レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の相対的運動の間、レーザ出力ビームの形状は、少なくとも部分的に、ワークピースの厚さに基づいて、改変される。
【００２０】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。レーザ出力ビームの形状は、ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと環形との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと拡散スポット（例えば、集束スポットの直径より大きい直径を有する、スポット）との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの直径および／またはＢＰＰは、ワークピースの厚さが増加するにつれて、増加されてもよい。レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の角度は、改変され（例えば、入射レーザ出力ビームの傾斜、ワークピースの傾斜を介して、および／またはワークピースの表面上の角度付けられたトポロジを介して）、それによって、レーザ出力ビームと平行な方向に沿ったワークピースの厚さを変動させてもよい。レーザ出力ビームと平行な方向に沿ったワークピースの厚さは、少なくとも部分的に、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の角度の変化に起因して変動し得る（例えば、入射レーザ出力ビームの傾斜、ワークピースの傾斜を介して、および／またはワークピースの表面上の角度付けられたトポロジを介して）。レーザ出力ビームの形状は、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の角度を略一定に維持しながら、改変されてもよい（例えば、レーザ出力ビームは、ワークピースの表面に対して傾斜されなくてもよい、またはワークピースの表面のトポロジは、略一定角度を入射レーザ出力ビームに対して提示してもよい）。ワークピースの厚さは、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の相対的運動の間、測定されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、ワークピースの組成に基づいて改変されてもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。
【００２１】
別の側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理するためのシステムを特徴とする。本システムは、レーザ出力ビームの放出のためのビームエミッタと、ワークピースに対してレーザ出力ビームの位置を変動させるための位置付けデバイスと、レーザ出力ビームの形状を改変するための手段と、位置付けデバイスおよび形状改変手段に結合され、（ｉ）ビームエミッタを動作させ、レーザ出力ビームに、ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、その表面を物理的に改変させ、（ｉｉ）少なくとも部分的に、経路に沿ったワークピースの厚さに基づいて、レーザ出力ビームの形状を改変するためのコントローラとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。
【００２２】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。ビームエミッタは、そこからレーザ出力ビームが放出される、処理ヘッドを含む、それから本質的に成る、それから成る、その中に配置される、またはそこに結合されてもよい（例えば、光ファイバを介して）。形状改変手段は、（ｉ）処理ヘッド内の１つ以上の光学要素と、（ｉｉ）処理ヘッド内の光学要素のうちの少なくとも１つの位置を改変するための第２のコントローラとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２のコントローラは、コントローラから分離され、それと別個であってもよい、またはコントローラおよび第２のコントローラは、単一制御システムの一部であってもよい。コントローラは、経路に沿って、ビームエミッタの出力パワーを変動させるように構成されてもよい。コントローラは、ワークピースの組成に基づいて、レーザ出力ビームの形状を変動させるように構成されてもよい。本システムは、それぞれ、レーザ出力ビーム形状とワークピースパラメータを関連させる、複数の記録を含有する、データベースを含んでもよい。ワークピースパラメータは、ワークピース厚および／またはワークピース組成を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビームエミッタは、複数の離散入力ビームを放出する、ビーム源と、複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通してレーザ出力ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。
【００２３】
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、第１および第２のワークピースを処理点において継合する方法を特徴とする。第１および第２のワークピースは、処理点において相互に重複および／または近接する。レーザ出力ビームは、処理点に近接して集束および／または配置され、第１または第２のワークピースのうちの少なくとも１つの一部を溶融し、それによって、第１および第２のワークピースをともに継合する。継合の間、レーザ出力ビームの形状は、レーザ出力ビームと第１および第２のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、変動される。
【００２４】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと拡散スポット（例えば、集束スポットの直径より大きい直径を有する、スポット）との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。
【００２５】
別の側面では、本発明の実施形態は、最小スポットサイズに集束可能なレーザ出力ビームを使用して、最小スポットサイズより大きい空間範囲を有する溶接を用いて、第１および第２のワークピースを継合する方法を特徴とする。レーザ出力ビームは、第１および／または第２のワークピース上に集束および／または配置され、第１および第２のワークピース上またはその間に配置される接着剤（例えば、鑞材、はんだ材料、またはフラックス材料）のその少なくとも部分的溶融および／または少なくとも部分的溶融を生じさせる。レーザ出力ビームと第１および第２のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、レーザ出力ビームの形状は、変動され、溶接または継目のサイズを増加させる。
【００２６】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと拡散スポット（例えば、集束スポットの直径より大きい直径を有する、スポット）との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。
【００２７】
ある側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理するためのシステムを特徴とする。本システムは、ビームエミッタと、ワークピースに対してビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、ビームの形状を変動させるためのビーム成形器と、位置付けデバイス、偏光器、およびビーム成形器に結合され、その処理のために、ビームエミッタを動作させ、ビームにワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、少なくとも部分的に、ワークピースの１つ以上の性質に基づいて、経路に沿って、ビームの偏光および／または形状を変動させるためのコントローラとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。
【００２８】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。コントローラは、ビームが経路をトラバースするにつれて、経路と略平行な偏光方向を有する、ビームの線形偏光を維持するように構成されてもよい。コントローラは、少なくとも部分的に、ワークピースの厚さに基づいて、ビームの偏光の偏心を変動させるように構成されてもよい。コントローラは、線形偏光状態と半径方向偏光状態との間でビームの偏光を変動させるように構成されてもよい。可変偏光器は、波プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよく、回転要素は、コントローラによって動作される。波プレートは、半波プレートおよび／または４分の１波プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビームは、線形に偏光されてもよい。コントローラは、回転要素を動作させ、経路と平行な偏光方向を維持してもよい。可変偏光器は、補償器プレートと、補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。可変偏光器は、補償器プレートと、補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジと、平行移動要素とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよく、平行移動要素は、コントローラによって動作される。可変偏光器は、半径方向偏光コンバータを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
【００２９】
本システムは、コントローラにアクセス可能であって、経路に対応するデータを記憶するためのメモリと、複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースとを含んでもよい。コントローラは、データベースにクエリし、ワークピースの材料に関する偏光データを取得し、少なくとも部分的に、偏光データに基づいて、ビームの偏光を変動させるように構成されてもよい。経路は、少なくとも１つの指向性変化を含んでもよい。ワークピースは、異なる厚さを有する、少なくとも２つの部分を有してもよい。ワークピースは、異なる材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、少なくとも２つの部分を有してもよい。ビームエミッタは、複数の離散入力ビームを放出する、ビーム源と、複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通してビームエミッタのビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビームエミッタのビーム（例えば、出力処理ビーム）は、複数の波長から成ってもよい。
【００３０】
ビーム成形器は、ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、コリメートされたビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置され、ビームを受信し、その形状を改変させるための光学要素と、ビームの経路内の光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。コントローラは、レンズ操作システムを制御し、ビームの形状を変動させるように構成されてもよい。光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。光学要素は、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、光学要素をビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。本システムは、集束レンズとワークピースとの間に配置される第２の光学要素を含んでもよい。レンズ操作システムは、ビームの経路内の第２の光学要素の位置を変化させるように構成されてもよい。第２の光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
【００３１】
ビーム成形器は、ビームエミッタから受信されたビームをコリメートするためのコリメートレンズと、コリメートされたビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置され、ビームを受信し、その形状を改変するための第１および第２の光学要素と、（ｉ）ビームの経路内の第１の光学要素の位置、（ｉｉ）ビームの経路内の第２の光学要素の位置、および／または（ｉｉｉ）第１および第２の光学要素間の距離を変化させるためのレンズ操作システムとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。コントローラは、レンズ操作システムを制御し、ビームの形状を変動させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、第１の光学要素および／または第２の光学要素をビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。
【００３２】
ある側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理するためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、ビームエミッタと、ワークピースに対してビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、位置付けデバイスおよび偏光器に結合され、その処理のために、ビームエミッタを動作させ、ビームにワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、経路に沿って、ワークピースに対してビームの一貫した偏光を維持するためのコントローラとを備える。
【００３３】
種々の実施形態では、可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を備え、回転要素は、コントローラによって動作される。例えば、波プレートは、１つ以上の半波プレート、１つ以上の４分の１波プレート、もしくはいくつかのそれらの組み合わせであってもよい。ビームは、例えば、回転要素を動作させ、経路と平行な偏光方向を維持する、コントローラを用いて、線形に偏光されてもよい。
【００３４】
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、コントローラにアクセス可能であって、経路に対応するデータを記憶するためのメモリと、複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースとを備える。コントローラは、データベースにクエリし、ワークピースの材料に関する偏光データを取得するように構成され、偏光データは、ビームの一貫した偏光を決定する。経路は、少なくとも１つの指向性変化を含んでもよい。
【００３５】
ビームエミッタは、複数のビームを放出してもよい。ビームエミッタは、少なくとも１つのレーザおよび／または少なくとも１つの偏光されたファイバであってもよい。
【００３６】
別の側面では、本発明は、ワークピースを処理する方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、ビームエミッタを動作させ、ビームをワークピースに沿って経路をトラバースするように指向し、ワークピースを処理するステップであって、ビームは、出力偏光を有する、ステップと、その処理全体を通して、ワークピースに対してビームの一貫した偏光を維持するように、経路の少なくとも一部に沿って出力偏光を改変するステップとを含む。
【００３７】
ワークピースを処理するステップは、ワークピースの切断、溶接、はんだ、穿孔、またはエッチングのうちの１つ以上のものを含んでもよい。改変するステップは、波プレートを通してビームを指向し、ビームに対して波プレートの回転角度を変動させるステップを含んでもよい。例えば、波プレートは、１つ以上の半波プレートおよび／もしくは１つ以上の４分の１波プレートであってもよい。ビームは、例えば、線形に偏光されてもよく、改変するステップは、ビームの偏光方向を経路と平行に維持する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、本方法はさらに、経路に対応するデータを記憶するステップと、複数の材料に関する偏光データを記憶するステップと、データベースにクエリし、ワークピースの材料に関する偏光データを取得するステップであって、偏光データは、ビームの一貫した偏光を決定する、ステップとを含む。経路は、少なくとも１つの指向性変化を含んでもよい。
【００３９】
ある側面では、本発明の実施形態は、放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムを特徴とする。レーザシステムは、放射ビームをコリメートするためのコリメートレンズと、コリメートされたビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための光学要素と、放射ビームの経路内の光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと、レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布をワークピース上で達成するためのコントローラとを含む、またはそれから本質的に成る。光学要素は、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置されてもよい（すなわち、ビーム源の光学的に下流かつコリメートレンズの光学的に上流に配置される）。
【００４０】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。光学要素は、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。メニスカスレンズは、ポジ型メニスカスレンズであってもよい。メニスカスレンズは、ネガ型メニスカスレンズであってもよい。光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。
【００４１】
レーザ送達システムは、放射ビームの経路内に配置される第２の光学要素を含んでもよい。第２の光学要素は、集束レンズとワークピースとの間に配置されてもよい（すなわち、集束レンズの光学的に下流に配置され、かつワークピースの光学的に上流に配置される）。レンズ操作システムは、放射ビームの経路内の第２の光学要素の位置を変化させるように構成されてもよい。第２の光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。第２の光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。第２の光学要素は、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。メニスカスレンズは、ポジ型メニスカスレンズであってもよい。メニスカスレンズは、ネガ型メニスカスレンズであってもよい。第２の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、もしくはそれから成ってもよい。
【００４２】
ビーム源は、複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して放射ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。放射ビームは、複数の波長放射から成ってもよい。集束光学は、１つ以上の円筒形レンズ、１つ以上の球形レンズ、１つ以上の球形ミラー、および／または１つ以上の円筒形ミラーを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含む、もしくはそれから本質的に成ってもよい。
【００４３】
別の側面では、本発明の実施形態は、放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムを特徴とする。レーザ送達システムは、放射ビームをコリメートするためのコリメートレンズと、コリメートされたビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための第１および第２の光学要素と、（ｉ）放射ビームの経路内の第１の光学要素の位置、（ｉｉ）放射ビームの経路内の第２の光学要素の位置、および／または（ｉｉｉ）第１ならびに第２の光学要素間の距離を変化させるためのレンズ操作システムと、レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布をワークピース上で達成するためのコントローラとを含む、またはそれから本質的に成る。第１および／または第２の光学要素は、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置されてもよい（すなわち、ビーム源の光学的に下流かつコリメートレンズの光学的に上流に配置される）。
【００４４】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内、約２ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、または約２ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第１の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第１の光学要素の第１の表面に面してもよい。レンズ操作システムは、第１の光学要素および／または第２の光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。第１の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、もしくはそれから成ってもよい。
【００４５】
ビーム源は、複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して放射ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。放射ビームは、複数の波長放射から成ってもよい。集束光学は、１つ以上の円筒形レンズ、１つ以上の球形レンズ、１つ以上の球形ミラー、および／または１つ以上の円筒形ミラーを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含む、もしくはそれから本質的に成ってもよい。
【００４６】
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムを特徴とする。レーザ送達システムは、放射ビームの発散を増加させるための１つ以上の発散増加光学要素と、放射ビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための少なくとも１つの光学要素と、放射ビームの経路内の少なくとも１つの光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと、レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布をワークピース上で達成するためのコントローラとを含む、またはそれから本質的に成る。
【００４７】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。集束レンズは、１つ以上の発散増加光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、集束レンズの光学的に上流に配置されてもよい。１つ以上の発散増加光学要素は、三重コリメータを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。三重コリメータは、（ｉ）第１の平凹面レンズと、（ｉｉ）第２のメニスカスレンズと、（ｉｉｉ）第３の平凸面レンズとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の平凹面レンズは、第２のメニスカスレンズの光学的に上流に配置されてもよい。第２のメニスカスレンズは、第３の平凸面レンズの光学的に上流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、第１の平凹面レンズの光学的に下流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、第２のメニスカスレンズおよび／または第３の平凸面レンズの光学的に上流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）切頭円球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。少なくとも１つの光学要素は、メニスカスレンズ（例えば、ポジ型メニスカスレンズまたはネガ型メニスカスレンズ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、少なくとも１つの該光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。
【００４８】
少なくとも１つの光学要素は、第１の光学要素および第２の光学要素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素および第２の光学要素は、その間の間隙によって分離されてもよい。レンズ操作システムは、（ｉ）放射ビームの経路内の第１の光学要素の位置、（ｉｉ）放射ビームの経路内の第２の光学要素の位置、および／または（ｉｉｉ）第１ならびに第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内、約２ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、または約２ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第１の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第１の光学要素の第１の表面に面してもよい。レンズ操作システムは、第１の光学要素および／または第２の光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。第１の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、もしくはそれから成ってもよい。
【００４９】
ビーム源は、複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して放射ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。放射ビームは、複数の波長放射から成ってもよい。集束光学は、１つ以上の円筒形レンズ、１つ以上の球形レンズ、１つ以上の球形ミラー、および／もしくは１つ以上の円筒形ミラーを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含む、もしくはそれから本質的に成ってもよい。
【００５０】
これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点ならびに特徴とともに、以下の説明、添付図面、および請求項の参照を通して、より明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、「実質的に」という用語は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。「本質的に〜から成る」という用語は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。本明細書では、「放射線」および「光」という用語は、別様に指示されない限り、同義的に利用される。本明細書で、「下流」または「光学的に下流」とは、第１の要素に衝突後に光ビームが衝打する、第２の要素の相対的場所を示すために利用され、第１の要素は、第２の要素の「上流」または「光学的に上流」にある。本明細書では、２つの構成要素間の「光学距離」は、光ビームによって実際に進行される、２つの構成要素間の距離であって、光学距離は、２つの構成要素間の物理的距離と等しくてもよいが、例えば、構成要素のうちの一方から他方に進行する光によって被られる、ミラーからの反射または伝搬方向における他の変化に起因して、必ずしもそうではない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して、同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を図示する際に強調が置かれる。以下の説明では、本発明の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
【００５２】
【図１】図１は、固定されている切断ビームの偏光を用いて、曲線を材料から切り出す従来の方法を図示する。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の種々の実施形態による、材料内の切断経路に従った偏光の例示的調節を図示する。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、材料の厚さに従った偏光の例示的調節を図示する。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、線形偏光から半径方向偏光への偏光の例示的調節を図示する。
【図３Ａ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図３Ｂ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図３Ｃ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図３Ｄ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図３Ｅ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図３Ｆ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図３Ｇ】図３Ａ−３Ｇは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の種々の実施形態による、自動調節偏光ビームを使用して、材料を切断または溶接するための方法を図示する。
【図４Ｂ】図４Ｂ−４Ｄは、本発明の種々の実施形態による制御された偏光と従来の非偏光ビームを用いたレーザビームを比較する、ワークピース厚の関数とした切断速度のグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｂ−４Ｄは、本発明の種々の実施形態による制御された偏光と従来の非偏光ビームを用いたレーザビームを比較する、ワークピース厚の関数とした切断速度のグラフである。
【図４Ｄ】図４Ｂ−４Ｄは、本発明の種々の実施形態による制御された偏光と従来の非偏光ビームを用いたレーザビームを比較する、ワークピース厚の関数とした切断速度のグラフである。
【図５】図５は、本発明の種々の実施形態による、レーザビーム送達システムの概略図である。
【図６】図６は、本発明の種々の実施形態による、平坦上部円錐形光学要素の概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの溶融シリカ平坦上部円錐形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの硫化亜鉛平坦上部円錐形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の種々の実施形態による、中心からずれた光学要素を有する、レーザ送達システムの概略図である。
【図８】図８Ｂ−８Ｄは、図８Ａのレーザ送達システムによって生産される中心からずれた距離の関数としてのビームプロファイルを描写する。
【図９】図９は、本発明の種々の実施形態による、平坦上部球形光学要素の概略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの溶融シリカ平坦上部球形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの硫化亜鉛平坦上部球形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１１】図１１Ａ−１１Ｃは、本発明の種々の実施形態による、図９の光学要素を組み込むレーザ送達システムによって生産される中心からずれた距離の関数としてのビームプロファイルを描写する。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１１Ｃに描写される２ピークビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の種々の実施形態による、２つのアキシコンレンズ光学要素を有する、レーザ送達システムの一部の概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂおよび１２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、アキシコンレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。
【図１２Ｃ】図１２Ｂおよび１２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、アキシコンレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。
【図１３】図１３は、本発明の種々の実施形態による、ポジ型およびネガ型アキシコンレンズ間の間隙距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１４】図１４は、本発明の種々の実施形態による、ポジ型およびネガ型アキシコンレンズ間の異なる間隙距離におけるビームプロファイルを描写する。
【図１５】図１５は、本発明の種々の実施形態による、ビーム経路内で横方向に中心からずれたポジ型およびネガ型アキシコンレンズ間の異なる間隙距離におけるビームプロファイルを描写する。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートレンズを有する、レーザ送達システムの一部の概略図である。
【図１６】図１６Ｂおよび１６Ｃは、本発明の種々の実施形態による、位相プレートレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートの内径の関数としてのＢＰＰのグラフである。
【図１６Ｅ】図１６Ｅは、本発明の種々の実施形態による、入力ファイバ端部キャップからの分離の関数としての対を成す位相プレートの最適化された内径のグラフである。
【図１６Ｆ】図１６Ｆは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートレンズ間の間隙距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１６Ｇ】図１６Ｇは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートレンズ間の異なる間隙距離におけるビームプロファイルを描写する。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の種々の実施形態による、メニスカスレンズ光学要素の概略図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの溶融シリカメニスカスレンズ光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の種々の実施形態による、増加されたビーム発散のための三重コリメータを組み込む、部分的レーザビーム送達システムの概略図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の種々の実施形態による、図１８Ａのレーザ送達システム内のビーム源からの平坦上部球形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、本発明の種々の実施形態による、図１８Ａのレーザ送達システム内のビーム源からのメニスカスレンズ光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、本発明の種々の実施形態による、増加されたビーム発散のための三重コリメータと、対を成す位相プレート光学要素とを組み込む、部分的レーザビーム送達システムの概略図である。
【図１８Ｅ】図１８Ｅは、本発明の種々の実施形態による、図１８Ｄのレーザビーム送達システム内の対を成す位相プレートレンズ間の間隙距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。
【図１９】図１９は、本発明の種々の実施形態による、レーザビーム送達システムのための入力ビームを供給するために利用され得る、波長ビーム組み合わせレーザシステムの概略図である。
【図２０】図２０は、本発明の種々の実施形態による、レーザシステムの概略図である。
【図２１】図２１は、本発明の種々の実施形態に従って利用される例示的ビーム形状を描写する、一連の画像である。
【図２２】図２２Ａおよび２２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、異なる形状を有するレーザビームを用いて処理されている、ワークピースの概略図である。
【図２３】図２３Ａ−２３Ｄは、本発明の種々の実施形態による、複数の異なるビーム形状を有するレーザビームを利用する、溶接プロセスの一連の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
側面および実施形態は、概して、殆ど屑が出ず、綺麗な切断面および溶接を含む、より良好な製造結果を生産するように、製造において使用されるレーザビームの偏光および／または形状を調節する分野に関する。種々の実施形態では、したがって、本発明は、処理を受ける材料に対してレーザビームの偏光および／または形状を最適化することに関する。より具体的には、偏光を調節するためのシステムおよび方法は、例えば、処理を受ける材料の幾何学形状、材料、および厚さ、ならびにそれに対するビームの瞬間配向に基づいて、その偏光を選択的に変動させるために、それを通してビームが通過する、波プレートの配向を変動させるステップを伴ってもよい。本明細書に説明されるアプローチおよび実施形態は、偏光維持光ファイバを使用し、出力ビームをレーザシステムからレーザヘッドに送達する、単一および二重ビーム出力システムに適用されてもよい。いくつかの事例では、これらのレーザシステムは、マルチ波長出力ビームを生産する、波長ビーム組み合わせシステムであってもよい。
【００５４】
したがって、本発明の実施形態は、所与の材料のための最適偏光方向を確立し、処理が進むにつれて、処理方向に対して本方向を維持する。これは、偏光方向を改変させない、図１に例示されるような従来技術システムの挙動とは対照的である。図１では、材料のシート１００が、湾曲であり得る、所望の切断経路１０２に追従する、線形に偏光されたビームによって処理される。１０４に示される線形偏光は、材料１００に対するビームの変動する配向にかかわらず、固定配向を維持する。多くのシステムでは、最適ビーム偏光は、処理の方向と平行である。図１では、これは、１回のみ生じ、実際は、大部分の場所において、偏光は、不利なことに、処理方向と垂直である。これは、処理を遅延させ、屑を生産し、不完全な切断をもたらす等となり得る。
【００５５】
例示的システムのための１つの最適挙動が、図２Ａに図示される。処理ビームの偏光配向２０４は、処理経路１０２全体を通して、処理方向と平行のままである。例示的システムのための別の最適挙動は、図２Ｂに図示される。処理ビームの偏光状態２１０は、材料１００の厚さが増加するにつれて、線形偏光から、楕円形偏光、円形偏光に変化する。図２Ｃに図示される、さらに別の実施形態では、処理ビームの偏光状態２１０は、処理経路１０２に沿って、線形偏光から半径方向偏光に変化する。図２Ｂおよび２Ｃにおける処理経路は、略線形であるが、本発明の実施形態では、処理経路は、図２Ｂに示されるように、１つ以上の指向性変化を含んでもよい。一般に、処理経路は、曲線または線形であってもよく、「線形」処理経路は、１つ以上の指向性変化を特徴とし得る、すなわち、線形処理経路は、必ずしも、相互に平行ではない、２つ以上の略直線区画から成ってもよい。
【００５６】
本発明の実施形態による、偏光変動を遂行するための代表的システムは、図３Ａ−３Ｃに示される。図３Ａを参照すると、システム３００は、レーザ（または偏光ファイバ等の他のビームエミッタ）３０５と、コントローラ３１０とを含む。コントローラ３１０は、レーザ３０５の動作を制御する（すなわち、レーザ３０５をアクティブ化し、必要に応じて、処理の間、強度等のビームパラメータを制御する）。コントローラはまた、従来の位置付けシステム３１５および偏光コントローラ３２０を動作させる。位置付けシステム３１５は、ビームを２または３次元ワークピースに沿って処理経路を通して指向するための任意の制御可能光学システム、機械的システム、または光学機械的システムであってもよい。処理の間、コントローラ３１０は、レーザビームがワークピースに沿って処理経路をトラバースするように、位置付けシステム３１５およびレーザ３０５を動作させてもよい。処理経路は、ユーザによって提供され、オンボードまたは遠隔メモリ３２５内に記憶されてもよく、これはまた、処理のタイプ（切断、溶接等）に関連するパラメータと、その処理を行うために必要なビームパラメータとを記憶してもよい。この点において、ローカルまたは遠隔データベース３３０は、システム３００が処理するであろう材料および厚さのライブラリを維持してもよく、材料パラメータ（材料のタイプ、厚さ等）のユーザ選択に応じて、コントローラ３１０は、データベース３３０にクエリし、対応するパラメータ値を取得する。記憶された値は、材料に好適な偏光配向および／または状態を含んでもよい。
【００５７】
プロットおよび走査技術において深く理解されるように、ビームとワークピースとの間で必要な相対的運動は、可動ミラーを使用したビームの光学偏向、ガントリ、送りねじ、または他の配列を使用したレーザの物理的移動、および／またはビームではなく（またはそれに加え）、ワークピースを移動させるための機械的配列によって生産されてもよい。コントローラ３１０は、いくつかの実施形態では、ワークピースに対するビームの位置および／または処理有効性に関するフィードバックをフィードバックユニット３３５から受信してもよく、これは、好適な監視センサに接続されるであろう。フィードバックユニット３３５からの信号に応答して、コントローラ３１０は、ビームの経路、組成、および／または偏光を改変する。
【００５８】
図３Ｂおよび３Ｃに示される一実施形態では、偏光調節は、レーザヘッド構成要素３５０内で遂行され、これは、通常、製造において使用されるビームを放出するレーザシステムの最後の光学機械的部分である。レーザヘッド３５０は、コリメートレンズ３５５と、調節／回転波プレート３６０と、ビーム３７０をワークピースの表面上に指向するための集束レンズ３６５とを含む。波プレート３６０は、ビーム３７０の偏光を回転させるための４分の１波プレート、半波プレート、または他の波プレートであってもよい。図３Ａ−３Ｃを参照すると、従来の電気機械的回転デバイス３７５は、コントローラ３１０の制御下、ビームが処理経路１０２を通して移動するにつれて、波プレート３６０を回転させ、したがって、経路１０２に対してビーム３７０の一貫した偏光方向をもたらす。他の構成では、複数の波プレートが、採用され、個々の回転デバイス３７５によって、別個に回転されてもよい。複数の波プレートの使用は、応答時間を改良し得る。ビーム３７０の偏光は、波プレート３６０の遭遇に先立った第１の配向３８０ａと、波プレート３６０を通して通過後の第２の配向３８０ｂとに示される。
【００５９】
図３Ｄおよび３Ｅに示される一実施形態では、偏光調節はまた、レーザヘッド構成要素３５０内で遂行される。レーザヘッド３５０は、図３Ｂに描写されるレーザヘッド３５０と同様に、コリメートレンズ３５５と、ビーム３７０をワークピースの表面上に指向するための集束レンズ３６５とを含む。図３Ｄの実施形態では、レーザヘッド３５０は、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器３８５をコリメートレンズ３５５と集束レンズ３６５との間に含む。当技術分野において公知のように、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器３８５は、それを通して進行する光の偏光を線形から円形およびその間の任意の楕円形偏光状態に改変可能な持続的に可変の光学リターダである。種々の実施形態では、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器３８５は、補償器プレート３８６と、固定複屈折ウェッジ３８７と、可動複屈折ウェッジ３８８とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。補償器プレート３８６の長軸は、典型的には、ウェッジ３８７、３８８の長軸と垂直である。プレート３８６およびウェッジ３７７に対するウェッジ３８８の移動は、ビーム３７０の偏光状態を線形と円形との間の任意の楕円形状態に改変する。図３Ａ、３Ｄ、および３Ｅを参照すると、従来の電気機械的平行移動デバイス３８９は、コントローラ３１０の制御下、ビームが処理経路１０２を通して移動するにつれて（例えば、ワークピースの厚さが変化するにつれて）、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器３８５の可動ウェッジ３８８を平行移動させ、それによって、経路１０２に沿って、ワークピースの厚さの関数として、偏光状態を変化させる。例えば、ビーム３７０の偏光状態の真円度（すなわち、線形から楕円形または円形への遷移）は、ワークピースの厚さが増加するにつれて、増加され得る。ビーム３７０の偏光は、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器３８５への遭遇に先立った第１の状態３９０ａと、Ｂａｂｉｎｅｔ−Ｓｏｌｅｉｌ補償器３８５を通して通過後の第２の状態３９０ｂとに示される。
【００６０】
図３Ｆおよび３Ｇに示される別の実施形態では、偏光調節はまた、レーザヘッド構成要素３５０内で遂行される。レーザヘッド３５０は、図３Ｂおよび３Ｄに描写されるレーザヘッド３５０と同様に、コリメートレンズ３５５と、ビーム３７０をワークピースの表面上に指向するための集束レンズ３６５とを含む。図３Ｆの実施形態では、レーザヘッド３５０は、半径方向偏光コンバータ３９１をコリメートレンズ３５５と集束レンズ３６５との間に含む。当技術分野において公知のように、半径方向偏光コンバータ３９１は、線形偏光を半径方向偏光または方位角偏光に変換する、ガラス波プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、半径方向偏光コンバータ３９１は、半径方向対称性を有する継続的に変動する遅軸方向または空間変形４分の１波プレートを伴う、半波プレートであってもよい。半径方向偏光コンバータ３９１は、ナノ構造化された格子、例えば、ＵＡＢ  Ａｌｔｅｃｈｎａ（Ｖｉｌｎｉｕｓ，  Ｌｉｔｈｕａｎｉａ）から利用可能なＳ波プレート半径方向偏光コンバータまたはＥｄｍｕｎｄ  ＯｐｔｉｃｓＩｎｃ．（Ｂａｒｒｉｎｇｔｏｎ，  Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）から利用可能な半径方向偏光コンバータのうちの１つをその上に有する、ガラスプレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、半径方向偏光コンバータ３９１は、液晶分子が具体的に整合され、所望の半径方向または方位角偏光を生産する、液晶、例えば、Ａｒｃｏｐｉｘ（Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ，  Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）から利用可能なＡｒｃｏｐｉｘ半径方向偏光コンバータを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビーム３７０の経路内の半径方向偏光コンバータ３９１の移動は、ビーム３７０の偏光状態を線形から半径方向または方位角もしくはその逆に改変する。種々の実施形態では、半径方向に偏光されたビーム３７０は、線形偏光を有する、ビーム３７０より小さいスポットサイズに集束可能である。図３Ａ、３Ｆ、および３Ｇを参照すると、従来の電気機械的平行移動デバイス３８９は、コントローラ３１０の制御下、ビームが処理経路１０２を通して移動するにつれて、半径方向偏光コンバータ３９１を平行移動させ、それによって、経路１０２に沿って偏光状態を変化させる。ビーム３７０の偏光は、半径方向偏光コンバータ３９１への遭遇に先立った第１の状態３９２ａ（すなわち、線形偏光）と、半径方向偏光コンバータ３９１を通して通過後の第２の状態３９２ｂ（すなわち、半径方向偏光）とに示される。
【００６１】
図４Ａは、システム３００を動作させ、切断動作を実施する、代表的方法４００を図示する。第１のステップ４１０では、ユーザは、任意の好適な入力デバイスを使用して、またはファイル転送を用いて、所望の経路をシステム３００の中に事前プログラムする。ステップ４２０では、コントローラ３１０は、経路の曲線、特徴（例えば、厚さ）、および切断方向を分析し、データベース３３０にクエリし、必要に応じて、切断が行われ得る速度を決定し、切断方向に対するレーザビームの最適偏光方向および／または状態を決定する。ステップ４３０に示される動作時、コントローラ３３０は、レーザ３０５およびサブシステム３１５、３２０を動作させ、事前にプログラムされた経路に沿って切断し、適切な偏光を維持する。処理されている材料の組成および／または厚さが、変化する場合、変化の場所および性質が、プログラムされてもよく、コントローラ３１０は、適宜、レーザビームパラメータ（偏光および／またはビーム形状を含む）を調節することができる。最適切断、溶接、または製造解決策は、それでもなお、プロセスにおける付加的ステップ（例えば、バリ取り、研削、および／または研磨）が必要とされ得るため、必ずしも、最も綺麗な切断面または溶接ではない場合があることに留意されたい。したがって、全体的最適化は、所望の出力に基づき得、本方法およびシステムは、それらがどのようなものであり得ても、それらの所望の結果を生産するように構成される。上記に記載されるように、切断は、本発明の実施形態のアプローチから利点を享受し得る、レーザ処理の一実施例にすぎない。
【００６２】
コントローラ３１０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらのある組み合わせのいずれかとして提供されてもよい。例えば、システムは、Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，  Ｃａｌｉｆ．）によって製造されたＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｅｌｅｒｏｎファミリのプロセッサ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ，  Ｉｌｌ．）によって製造された６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲ  ＰＣファミリのプロセッサ、および／またはＡｄｖａｃｅｄ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，  Ｃａｌｉｆ．）によって製造されたＡＴＨＬＯＮラインのプロセッサ等の１つ以上のプロセッサを含有する、ＣＰＵボードを有するＰＣ等の１つ以上の従来のサーバクラスコンピュータ上に実装されてもよい。プロセッサはまた、上記に説明される方法に関連するプログラムおよび／またはデータを記憶するためのメインメモリユニットを含んでもよい。メモリは、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電気的に消去可能なプログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、または読取専用メモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般に利用可能なハードウェア上に常駐する、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはフラッシュメモリを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プログラムは、光ディスク、磁気ディスク、ならびに他の一般に使用される記憶デバイス等の外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供されてもよい。機能が１つ以上のソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に関して、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、種々のスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬ等のいくつかの高レベル言語のいずれかで書き込まれてもよい。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に常駐するマイクロプロセッサを対象とするアセンブリ言語で実装されてもよい。例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ  ＰＣまたはＰＣクローン上で起動するように構成される場合、Ｉｎｔｅｌ８０ｘ８６アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、限定ではないが、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ−ＲＯＭを含む、製造品上で具現化されてもよい。
【００６３】
処理を改良するための本明細書に説明される方法は、線形に偏光されたビーム（自由空間レーザまたは偏光維持ファイバを介して送達される）のために良好に機能するが、本技法はまた、楕円形に偏光されたビーム（１つの偏光に偏っている）とも良好に機能する。例えば、標準的マルチモードファイバからのビームは、楕円形に偏光される可能性が高く、本明細書に説明されるアプローチから利点を享受し得る。
【００６４】
本発明の実施形態は、有利には、種々の材料、例えば、金属材料のより効率的切断のために利用されてもよい。図４Ｂは、窒素ガス流下における、３０４ステンレス鋼から成るワークピースに関するワークピース厚の関数としての達成可能切断速度のグラフである。４つの異なるレーザシステムが、切断のために利用された。最初に、１ｋＷのパワーで動作し、線形に偏光されたレーザ出力ビームを生産するために、５８μｍ偏光維持光学出力ファイバを利用する、本発明の実施形態によるレーザシステムが、ワークピースを偏光方向と平行方向および垂直方向に切断するために利用された。傾向線４４０は、切断方向と平行に偏光されたビームに関して達成可能な切断速度を描写し、傾向線４４５は、切断方向と垂直に偏光されたビームに関して達成可能な切断速度を描写する。示されるように、平行偏光ビームは、特に、より薄いワークピースに関して、垂直偏光ビームより著しく高い切断速度を可能にする。傾向線４５０および４５５は、非偏光出力ビームを有する２つの異なる市販の１ｋＷレーザシステム（すなわち、偏光維持ファイバではない、出力光ファイバケーブルを利用する）に関するデータを描写する。示されるように、非偏光ビームは、傾向線４４５の垂直偏光ビームと比較して、より高速の切断を可能にするが、傾向線４４０の平行偏光ビームと比較して、より低速である。傾向線４６０は、１００μｍ出力ファイバを有するが、非偏光ビームもまた生産する、２ｋＷレーザに関するデータを描写する。予期されるであろうように、このより強力なレーザシステムは、より低いパワーのレーザシステムより高速の切断速度を可能にするが、傾向線４４０の平行偏光ビームが、より低いパワーで、かつより小さい出力ファイバを用いて動作するにもかかわらず、より高い速度で切断するという、その利点は、より薄いワークピースに関して、減少し、消失さえする。
【００６５】
図４Ｃは、窒素ガス流下における、３００３アルミニウムから成るワークピースに関するワークピース厚の関数として達成可能な切断速度のグラフである。利用されるレーザシステムは、図４Ｂに関して上記に説明されるものと同一である。示されるように、傾向線４４０によって表される平行偏光ビームは、最良切断性能を呈し、平行偏光ビームの性能は、特に、より薄いワークピース厚に関して、傾向線４６０の２ｋＷ、１００μｍ非偏光ビームのものよりさらに優れている。図４Ｂにおけるように、傾向線４４５の垂直偏光ビームは、最悪性能を描写し、偏光方向が切断方向と平行に維持される、本発明の実施形態の有利な効果を強調する。
【００６６】
図４Ｄは、窒素ガス流下、真鍮から成るワークピースに関するワークピース厚の関数として達成可能な切断速度のグラフである。利用されるレーザシステムは、図４Ｂに関して上記に説明されるものと同一である。示されるように、傾向線４４０によって表される平行偏光ビームは、特に、より薄いワークピース厚に関して、高速切断性能を呈する。傾向線４４０によって表される平行偏光ビームはまた、傾向線４５０によって表される匹敵する１ｋＷ非偏光ビームよりはるかに高速の切断速度を呈する。図４Ｂおよび４Ｃにおけるように、傾向線４４５の垂直偏光ビームは、最悪性能を描写し、実際、３ｍｍの厚さを有するワークピースに関して評価できるほどの切断速度の能力がない。
【００６７】
本発明の実施形態は、ビームを成形する、および／またはビームのＢＰＰを調節するための技法を用いて、ワークピース材料および／または物理的性質に応答して、ビームの偏光調節を組み合わせる、または置換する。図５は、本発明の実施形態による、ビーム操作光学要素を組み込む、レーザビーム送達システム５００の概略図を描写する。種々の実施形態では、レーザビーム送達システム５００は、例えば、レーザベースの切断ヘッドまたは溶接ヘッド（例えば、切断ヘッド３５０）内に配置されてもよく、出力ビームの偏光を調節するために利用されるその中の種々の構成要素（例えば、光学要素、コントローラ等）と組み合わせられてもよい。ビーム送達システム５００は、レーザ発生システム（例えば、図５に示されない、ＷＢＣレーザシステム）の残りの部分に接続される、ファイバ端部キャップ５０５で終端する、ビーム送達ファイバと、コリメートレンズ５１０と、集束レンズ５１５と、端部キャップ５０５とコリメートレンズ５１０との間に位置付けられる、光学要素５２０とを特徴としてもよい。ビーム成形および偏光調節のための組み合わせられた機能性を特徴とする、本発明の種々の実施形態では、コリメートレンズ５１０および集束レンズ５１５等の要素は、それらの機能性間で共有されてもよい、すなわち、レーザビーム送達システムは、種々の実施形態では、ビーム成形および偏光調節の両方を促進する、種々の光学要素を有してもよい。種々の実施形態では、光学要素５２０は、ファイバ端部キャップ５０５に近接して配置され、光学要素５２０に衝打するビームのサイズを最小限にする。より小さいビームの屈折は、光学のより小さい幾何学的寸法を有する光学を用いて行われてもよく、より高い感度を用いて、出力プロファイルを変動させてもよい。図５はまた、集束レンズ５１５とワークピース５３０との間に配置される随意の第２の光学要素５２５を描写する。ワークピース５３０は、例えば、集束レンズ５１５によって集束されたビームによって溶接、穿孔、および／または切断される、１つ以上の部品（例えば、金属部品）を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。種々の実施形態では、第１の光学要素５２０は、集束レンズ５１５とワークピース５３０との間に配置され、第２の光学要素５２５は、省略される。光学要素５２０、５２５はそれぞれ、例えば、位相プレートを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。
【００６８】
第１の光学要素５２０および／または第２の光学要素５２５の位置は、例えば、２つもしくは３つの軸に沿って運動可能な１つ以上の機械もしくはモータ駆動平行移動段５３５を含む、またはそれから本質的に成り得る、レンズ操作システムの使用を介して、ビームプロファイル内に平行移動されてもよい。レンズ操作システムは、コントローラ５４０に応答してもよい。コントローラ５４０は、所望の標的放射パワー分布および／またはビーム品質のＢＰＰもしくは他の測定（例えば、ユーザによる、および／またはワークピースまでの距離、ワークピースの組成、ワークピースのトポグラフィ、ワークピースの厚さ等の処理されるべきワークピースの１つ以上の性質に基づく入力）に応答し、光学要素５２０および／または光学要素５２５を位置付け、操作されるビーム５４５を標的放射パワー分布またはビーム品質を用いてワークピース５３０に衝打させるように構成されてもよい。コントローラ５４０は、本明細書に詳述されるように、特定の光学要素位置付けを介して、所望のパワー分布および／または出力ＢＰＰならびに／もしくはビーム品質を達成するようにプログラムされてもよい。コントローラ５４０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらのある組み合わせのいずれかとして提供されてもよい。例えば、システムは、Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，  Ｃａｌｉｆ．）製Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）、またはＣｅｌｅｒｏｎファミリーのプロセッサ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ，  Ｉｌｌ．）製６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲ  ＰＣファミリーのプロセッサ、ならびに／またはＡｄｖａｎｃｅｄ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，  Ｃａｌｉｆ．）製ＡＴＨＬＯＮラインのプロセッサ等の１つまたそれを上回るプロセッサを含有するＣＰＵ基板を有するＰＣ等の１つ以上の従来のサーバクラスコンピュータ上で実装されてもよい。プロセッサはまた、本明細書に説明される方法に関連するプログラムおよび／またはデータを記憶するためのメインメモリユニットを含んでもよい。メモリは、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電気的に消去可能なプログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、もしくは読取専用メモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般に利用可能なハードウェア上に常駐するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはフラッシュメモリを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プログラムは、光ディスク、磁気ディスク、ならびに他の一般的に使用される記憶デバイス等の外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供されてもよい。機能が１つ以上のソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に関して、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、種々のスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬ等のいくつかの高レベル言語のうちのいずれかで書かれてもよい。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に���駐するマイクロプロセッサに指向されるアセンブリ言語で実装されてもよく、例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ  ＰＣまたはＰＣクローン上で作動するように構成される場合、Ｉｎｔｅｌ８０ｘ８６アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ−ＲＯＭを含むが、それらに限定されない、製造品上に組み込まれてもよい。
【００６９】
図６は、本発明の実施形態による、切頭円錐形の形状（平坦上部円錐形形状またはテーパ状円筒形形状）を有する、光学要素６００の概略図である。例えば、光学要素６００は、送達システム５００内で光学要素５２０および／または光学要素５２５として利用されてもよい。パラメータＤ、ｄ、θ、およびＨは、それぞれ、外径、内径（光学要素に衝打するときのビームのビームサイズに対応し得る）、最大矢（または「垂下」、ｈ）を画定する傾き角度、ビームのスポット中心からのビームの外側リングの分離、および光学要素６００の厚さに関する幾何学的設計パラメータである。幾何学的光学の光線トレーシングが、エネルギーの保存、光学経路長の恒常性、およびスネルの法則に基づいて、本発明の実施形態による光学要素を設計するために使用されてもよい。レンズ設計およびその表面プロファイルは、例えば、ビームプロファイルを所望の強度分布を伴うガウスからベッセルレーザビームに変形させ得る。
【００７０】
表１は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛（例えば、ＩＩ−ＶＩ  Ｉｎｃ．（Ｓａｘｏｎｂｕｒｇ，  ＰＡ）から利用可能なＺｎＳ  ＭｕｌｔｉＳｐｅｃｔｒａｌ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素６００のための例示的設計値を提供する。
【表１】
2019523137.tif 000003
【００７１】
図７Ａおよび７Ｂは、ファイバ端部キャップ５０５から、表１に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ（図７Ａ）および硫化亜鉛（図７Ｂ）光学要素６００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素６００の初期位置は、端部キャップ５０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、両方の場合において、ビームのＢＰＰは、約３０ｍｍだけの光学要素６００の変位を介して、約４〜約１２に増加され得る。変位の関数としてのＢＰＰにおける本変化の傾きは、端部キャップ５０５におけるファイバ出力の開口数における変化を介して改変されてもよい。光学要素６００からファイバ端部キャップ５０５までの５０ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、図７Ａおよび７Ｂに示される。
【００７２】
１つの軸に２つのピークを有する、調整されたビームプロファイルが、図８Ａに示されるように、光学要素６００（または本明細書に詳述される他の光学要素）をビーム経路内で横方向に中心からずれて位置付ける（すなわち、それを入力レーザビームの中に部分的に導入する）ことによって得られ得る。導入度に応じて、出力レーザビームのビームプロファイルは、種々のレーザ用途に対して最適に適合され得る。図８Ｂ−８Ｄでは、端部キャップ５０５までの４０ｍｍの距離における光学要素６００のための異なる中心からずれた距離（０ｍｍ、２ｍｍ、および４ｍｍ）におけるビームプロファイルが、示される。図８Ｅは、図８Ｄに描写されるビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフであって、ビームプロファイルの２ピーク性質を明らかに示す。種々の実施形態では、光学要素６００の異なる中心からずれた位置におけるＢＰＰの変動は、ビームプロファイルを横断して位置の関数として放射照度が変化する間も、約ゼロである。
【００７３】
本発明の実施形態による光学要素はまた、切頭球形（すなわち、平坦上部球形）構成を有してもよく、また、ベッセルビームプロファイルを生産するために使用されてもよい。そのような実施形態による光学要素９００のための幾何学的設計は、図９に図式的に描写される。光学要素９００は、送達システム５００内で光学要素５２０および／または光学要素５２５として利用されてもよい。設計パラメータは、平坦上部円錐形光学要素６００に関して上記で詳述されるものと同一であるが、曲率半径Ｒを除き、これはまた、ビームスポット中心からの結果として生じる環状ビームリングの最大垂下（ｈ）および分離を画定する。
【００７４】
表２は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素９００のための例示的設計値を提供する。
【表２】
2019523137.tif 000004
【００７５】
図１０Ａおよび１０Ｂは、ファイバ端部キャップ５０５から、表２に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ（図１０Ａ）および硫化亜鉛（図１０Ｂ）光学要素９００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素９００の初期位置は、端部キャップ５０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、両方の場合において、ビームのＢＰＰは、約３０ｍｍ（例えば、約２８ｍｍ〜約３２ｍｍ）だけの光学要素９００の変位を介して、約４〜約１２に増加され得る。変位の関数としてのＢＰＰにおける本変化の傾きは、端部キャップ５０５におけるファイバ出力の開口数における変化を介して改変されてもよい。光学要素９００からファイバ端部キャップ５０５までの５０ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、光学要素９００と端部キャップ５０５との間の５０ｍｍ間隔に関する位置の関数としてのその放射照度のグラフとして図１０Ａおよび１０Ｂに示される。
【００７６】
図１１Ａ−１１Ｃでは、端部キャップ５０５の４０ｍｍの距離における、光学要素９００のための異なる中心からずれた距離（０ｍｍ、２ｍｍ、および４ｍｍ）における（すなわち、図６Ａにおける光学要素６００に関して示されるような）ビームプロファイルが、示される。図１１Ｄは、図１１Ｃに描写されるビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフであって、ビームプロファイルの強度の２ピーク性質を明確に示す。種々の実施形態では、光学要素９００の異なる中心からずれた位置におけるＢＰＰの変動は、ビームプロファイルを横断する位置の関数としての放射照度が変化する間でも、約ゼロである。
【００７７】
本発明の実施形態は、環状ビーム形状を生産するために光学要素を利用する。本発明の実施形態は、アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、１つ以上の光学要素を特徴とする。当技術分野において公知のように、アキシコンレンズは、少なくとも１つの円錐形表面を有する、レンズであって、そのようなレンズは、点源を光学軸に沿って線区画に結像するために利用されてもよい。回転運動の円錐形表面は、反射または屈折もしくは両方によって、回転運動軸上に位置する点源からの光を混成可能である。本発明の実施形態は、図１２Ａに示されるように、ファイバ端部キャップ５０５とコリメートレンズ５１０との間の二重ポジ型（すなわち、二重凸面）アキシコンレンズ１２００と二重ネガ型（すなわち、二重凹面）アキシコンレンズ１２１０の組み合わせを利用し、ワークピースにおけるビームサイズは、本レンズシステムを利用して変動され得る。示されるように、レンズ１２００、１２１０は、間隙距離１２２０によってビーム経路内で分離される。θ１およびθ２は、図１２Ｂならびに１２Ｃに図式的に描かれるように、ビームスポット中心からの環状ビームリングの最大垂下（ｈ１およびｈ２）ならびに分離を画定する円錐形表面の傾き変数である。本発明の種々の実施形態では、レンズ１２００、１２１０の一方または両方の円錐形表面は、平滑縁と、約５μｍ未満の曲率半径とを有する。
【００７８】
図１３は、２つのアキシコンレンズ１２００、１２１０間の間隙距離１２２０の関数としてのレーザ送達システムのＢＰＰの制御を描写するグラフである。図１３に示されるように、間隙距離１２２０における約７ｍｍの変動は、４〜１２のＢＰＰ増加をもたらし、本発明のそのような実施形態によって可能にされる広範囲のＢＰＰ制御を実証する。レンズ１２００、１２１０間の間隙距離１２２０の関数としてのビームプロファイルは、図１４に示され、間隙距離は、ミリメートルで列挙される。示されるように、間隙距離１２２０の調節は、単一ピークを有するビームプロファイルを２つ、３つ、またはそれ以上のピークを有するものに変形させ得る。図１５は、２つのアキシコンレンズ１２００、１２１０が、ビーム経路内で４ｍｍだけ横方向に中心からずらされ、列挙される間隙距離１２２０によって分離される場合の類似ビームプロファイルを描写する（間隙距離は、ミリメートルで列挙される）。
【００７９】
本発明の実施形態は、１つの平面表面およびその対向表面を有する、位相プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成り、少なくとも一部が、凸面もしくは凹面に湾曲される、１つ以上の光学要素を特徴とする。図１６Ａは、間隙Ｚによって分離される２つのそのようなプレート１６００、１６１０を特徴とする、部分的ビーム送達システムを描写する。示されるように、プレート１６００は、距離Ｓによってファイバ端部キャップ５０５から分離される。図１６Ｂおよび１６Ｃは、プレート１６００、１６１０をより詳細に描写する。示されるように、プレート１６００、１６１０は、外径Ｄを有し、その表面の凸面／凹面部分は、最大垂下ｈを画定する（以下に詳述されるＲと併せて）、内径ｄを有する。その外側周界におけるプレートの厚さ（すなわち、その対向表面の平面部分間の厚さ）は、Ｈによって表され、凸面／凹面部分の曲率半径は、Ｒによって表される。図１６Ｂおよび１６Ｃに描写されるように、プレート１６００、１６１０は、略同一のＨ、Ｄ、ｄ、およびＲを有するが、本発明の種々の実施形態は、それらのパラメータのうちの１つ以上のものにおいて異なる、対を成すプレート（すなわち、１つが部分的凹面表面を有し、１つが部分的凸面表面を有する）を特徴とする。
【００８０】
表３は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素１２００、１２１０のための例示的設計値を提供する。
【表３−１】
2019523137.tif 000005
【表３−２】
2019523137.tif 000006
【００８１】
図１６Ｄおよび１６Ｅは、本発明の実施形態による、プレート１６００、１６１０の内径ｄが、ファイバ端部キャップ５０５からの距離Ｓの関数としてのレーザ送達システムの出力ＢＰＰを最大限にするように最適化され得ることを描写する。図１６Ｄは、距離Ｓ  ４０ｍｍと、間隙距離Ｚ  １０ｍｍと、曲率半径Ｒ  ５００とを有する、プレート１６００、１６１０のための内径ｄの関数としてのＢＰＰのグラフである。示されるように、結果として生じるＢＰＰは、約５ｍｍの内径ｄにおいて最大限にされる。本ＢＰＰは、間隙距離Ｚおよび曲率半径Ｒにおける変化から実質的に独立する。図１６Ｅは、端部キャップ５０５とプレート１６００との間の距離Ｓの関数としての最適化された内径ｄ（すなわち、出力ＢＰＰを最大限にする内径ｄ）のグラフである。示されるように、最適化された内径ｄは、距離Ｓの関数としての出力ビームのＢＰＰを最大限にするように選択されてもよい。
【００８２】
図１６Ｆは、表３に提供される設計パラメータを有する、プレート１６００、１６１０間の異なる間隙距離ＺにおけるＢＰＰのグラフである（表３の設計パラメータを用いると、溶融シリカおよび硫化亜鉛プレート１６００、１６１０は両方とも、同一結果を提供する）。プロットでは、端部キャップ５０５までの距離Ｓは、４０ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、約９ｍｍだけのプレート１６００、１６１０間の間隙Ｚの改変を介して、約４〜約１２に増加され得る。間隙Ｚ（ｍｍ単位）の関数としての出力ビームの種々のビームプロファイルが、位置の関数としてのその放射照度のグラフとして図１６Ｇに図示される。示されるように、ビームＢＰＰが増加するにつれて、ビーム形状は、単一ピークを有するものからより広い多ピーク放射照度プロファイルを有するものに変わる。
【００８３】
本発明の実施形態による光学要素はまた、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのような実施形態による光学要素１７００のための幾何学的設計は、図１７Ａに図式的に描写される。示されるように、種々の実施形態では、光学要素１７００の１つの表面は、略表面全体にわたって凸面状に湾曲される一方、対向表面は、表面の一部にわたって凹面状に湾曲され、内径ｄを画定する。光学要素１７００は、送達システム５００内で光学要素５２０および／または光学要素５２５として利用されてもよい。示されるように、光学要素１７００は、外径Ｄと、内径ｄと、厚さＨと、凸面状の湾曲表面の最大垂下ｈ１と、部分的に凹面状の湾曲表面の最大垂下ｈ２とを有してもよい。光学要素１７００の両表面のために略同一であり得る、曲率半径Ｒは、最大垂下ｈ１およびｈ２ならびにビームスポット中心からの結果として生じる環状ビームリングの分離を画定する。
【００８４】
表４は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素１７００のための例示的設計値を提供する。
【表４】
2019523137.tif 000007
【００８５】
図１７Ｂは、表４に提供される設計パラメータを有する、ファイバ端部キャップ５０５から例示的溶融シリカ光学要素１７００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素１７００の初期位置は、端部キャップ５０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、約２４ｍｍだけの光学要素１７００の変位を介して、約４〜約１２に増加され得る。光学要素１７００からファイバ端部キャップ５０５までの４６ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、光学要素１７００と端部キャップ５０５との間の４６ｍｍ間隔のための位置の関数としての放射照度のグラフとして図１７Ｂに示される。
【００８６】
本発明の実施形態によるレーザビーム送達システムはまた、種々のレンズ配列を利用して、光学要素移動の関数としてのＢＰＰ変動のためのより大きくより分散される入力ビームを形成してもよい。図１８Ａは、ＢＰＰ変動のための可動光学要素１８０５と、レーザビームの発散を増加させるための三重コリメータとを組み込む、レーザ送達システム１８００の一部を描写する。示されるように、三重コリメータは、角度αから角度βまでビームの発散を増加させる。種々の実施形態では、αに対するβの比は、約２〜約１．５、例えば、約１．７４である。以下により詳細に説明されるように、本増加される発散は、光学要素１８０５のより少ない移動を伴って、ＢＰＰのより優れた制御を可能にする。種々の実施形態では、光学要素１８０５は、光学要素６００、光学要素９００、光学要素１７００、位相プレート１６００／１６１０、またはアキシコンレンズ１２００、１２１０のうちの任意の１つ以上のものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。
【００８７】
本発明の実施形態による、ビーム発散を増加させるための三重コリメータは、レンズの種々の組み合わせから成ってもよい。図１８Ａは、平凹面レンズ１８１０と、メニスカスレンズ１８１５（例えば、ポジ型メニスカスレンズ）と、平凸面レンズ１８２０とを含む、１つのそのような実施形態を描写する。本発明の種々の実施形態では、光学要素１８０５は、平凹面レンズ１８１０とメニスカスレンズ１８１５との間のビーム経路内に配置される。他の実施形態では、光学要素１８０５は、メニスカスレンズ１８１５と平凸面レンズ１８２０との間のビーム経路内またはさらに平凸面レンズ１８２０の光学的に下流に配置されてもよい。
【００８８】
図１８Ｂは、増加されるビーム発散のために三重コリメータと併せてレーザビーム送達システム１８００内で利用されるときの、ファイバ端部キャップ５０５から、表１に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ光学要素６００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素６００の初期位置は、端部キャップ５０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、わずか約１６ｍｍだけの光学要素６００の変位、すなわち、図１８Ａの三重コリメータを欠いたビーム送達システムと比較して、約２倍より少ない変位（すなわち、より優れた制御）を介して、約４〜約１２に増加され得る（図７Ａ参照）。光学要素６００からファイバ端部キャップ５０５までの２１ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、図１８Ｂに示される。
【００８９】
図１８Ｃは、増加されるビーム発散のために三重コリメータと併せてレーザビーム送達システム１８００内で利用されるときの、ファイバ端部キャップ５０５から、表４に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ光学要素１７００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素１７００の初期位置は、端部キャップ５０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、わずか約１２ｍｍだけの光学要素６００の変位、すなわち、図１８Ａの三重コリメータを欠いたビーム送達システムと比較して、約２倍より少ない変位（すなわち、より優れた制御）を介して、約４〜約１２に増加され得る（図１７Ｂ参照）。光学要素１７００からファイバ端部キャップ５０５までの１７．５ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、図１８Ｃに示される。
【００９０】
図１８Ｄは、間隙距離Ｚによってビーム経路内で分離される前述の対を成す位相プレート光学要素１６００、１６１０を組み込む、部分的レーザビーム送達システム１８００の概略である。図１８Ｅは、増加されるビーム発散のために三重コリメータと併せてレーザビーム送達システム１８００内で利用されるときの、表３に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ光学要素１６００、１６１０の異なる間隙間隔Ｚに関するＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素１６００の位置は、端部キャップ５０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、わずか約３ｍｍだけの光学要素１６００、１６１０間の間隙距離Ｚを増加させること、すなわち、図１８Ａの三重コリメータを欠いたビーム送達システムと比較して、約３倍より少ない変位（すなわち、より優れた制御）を介して、約４〜約１２に増加され得る（図１６Ｆ参照）。光学要素１６００、１６１０間の３ｍｍの間隙距離におけるビームプロファイルもまた、図１８Ｃに示される。
【００９１】
本発明の実施形態による、本明細書に詳述される、レーザシステムおよびレーザ送達システムは、ＷＢＣレーザシステム内および／またはそれとともに利用されてもよい。具体的には、本発明の種々の実施形態では、ＷＢＣレーザシステムの多波長出力ビームが、本明細書に詳述されるように、ＢＰＰ、ビーム形状、および／または偏光の変動のために、レーザビーム送達システムのための入力ビームとして利用されてもよい。図１９は、１つ以上のレーザ１９０５を利用する、例示的ＷＢＣレーザシステム１９００を描写する。図１９の実施例では、レーザ１９０５は、ビーム１９１０を放出する４つのビームエミッタを有する、ダイオードバーを特徴とする（拡大入力図１９１５参照）が、本発明の実施形態は、任意の数の個々のビームを放出するダイオードバーまたは２次元アレイもしくはスタックのダイオードまたはダイオードバーを利用してもよい。図１９１５では、各ビーム１９１０は、線によって示され、線の長さまたはより長い寸法は、ビームの低速発散次元を表し、高さまたはより短い寸法は、高速発散次元を表す。コリメート光学１９２０が、各ビーム１９１０を高速次元に沿ってコリメートするために使用されてもよい。１つ以上の円筒形もしくは球形レンズおよび／またはミラーを含む、またはそれから本質的に成り得る、変形光学１９２５が、各ビーム１９１０をＷＢＣ方向１９３０に沿って組み合わせるために使用される。変形光学１９２５は、次いで、組み合わせられたビームを分散要素１９３５（例えば、反射または透過回折格子、分散プリズム、グリズム（プリズム／格子）、伝送格子、またはエシェル格子を含む、またはそれから本質的に成ってもよい）上に重複させ、組み合わせられたビームは、次いで、単一出力プロファイルとして出力結合器１９４０上に伝送される。出力結合器１９４０は、次いで、組み合わせられたビーム１９４５を、示されるように、出力正面図１９５０上に伝送する。出力結合器１９４０は、典型的には、部分的に反射性であって、本外部キャビティシステム１９００内の全レーザ要素のために共通正面ファセットとして作用する。外部キャビティは、レージングシステムであって、二次ミラーが、各レーザエミッタの放出開口またはファセットから離れるようにある距離だけ変位される。いくつかの実施形態では、付加的光学が、放出開口またはファセットと出力結合器または部分的反射表面との間に設置される。出力ビーム１９４５は、したがって、多波長ビーム（個々のビーム１９１０の波長を組み合わせる）であって、本明細書に詳述されるレーザビーム送達システム内の入力ビームとして利用されてもよい、および／または光ファイバの中に結合されてもよい。
【００９２】
図２０は、本発明の種々の実施形態に従って利用される、可変形状出力ビームを有するレーザシステム２０００を描写する。示されるように、レーザシステム２０００は、光ファイバ２０２０に結合される、レーザ源２０１０（例えば、ＷＢＣレーザシステム１９００は、複数の波長から成る出力ビームを形成する）を含んでもよい。光ファイバ２０２０の遠位端には、処理ヘッドまたはレーザビーム送達システム２０３０がある。処理ヘッド２０３０は、例えば、上記に説明されるレーザビーム送達システム５００の構成要素の全部または一部を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、処理ヘッド２０３０は、ワークピースの表面における、またはそれに近接する、焦点２０４０における出力ビーム形状を制御する、コントローラ（例えば、コントローラ５４０）を組み込む、および／またはそれに応答してもよい。種々の実施形態では、本明細書に詳述されるように、処理ヘッド２０３０は、可変出力ビーム形状を有する出力レーザビームを形成するために、相互に対して成形される、および／または可動である、種々の光学要素を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。図２１は、本発明の実施形態による、レーザシステム２０００によって形成可能な一連の異なる出力ビーム形状を描写する。示されるように、出力ビーム形状は、処理ヘッド２０３０内に印加される制御電圧に応じて（例えば、その中の１つ以上の光学要素の位置を制御するためのコントローラを介して）、高集束スポットビームから、拡散し、集束解除されたより大きいスポット、環状ビームに及ぶ。また、図２１に示されるように、ビームのＢＰＰもまた、ビーム形状が変化するにつれて変化し得る。
【００９３】
種々の実施形態では、レーザシステム２０００は、コントローラ（例えば、前述のように、コントローラ５４０）および／または位置付けシステム（例えば、位置付けシステム３１５）を含む。コントローラは、レーザシステムの動作を制御する（すなわち、レーザをアクティブ化し、処理の間、必要に応じて、強度および／または出力ビーム形状等のビームパラメータを制御する）。コントローラはまた、位置付けシステムを動作させてもよい。位置付けシステムは、２次元ワークピースまたは３次元ワークピースに沿って処理経路を通してビームを指向するための任意の制御可能光学システム、機械的システム、または光学機械的システムであってもよい。処理の間、コントローラは、レーザビームがワークピースに沿って処理経路をトラバースするように、および／またはレーザ出力ビームが処理されるべきワークピース上の特定の点（例えば、溶接のための位置）に位置付けられるように、位置付けシステムおよびレーザシステム２０００を動作させてもよい。処理経路および／または１つ以上の処理点は、ユーザによって提供され、オンボードまたは遠隔メモリ内に記憶されてもよく、これはまた、処理のタイプ（切断、溶接等）に関連するパラメータと、その処理を行うために必要なビームパラメータ（例えば、出力ビーム形状）とを記憶してもよい。この点において、ローカルまたは遠隔データベースは、レーザシステムが処理するであろう材料および厚さのライブラリを維持してもよく、材料パラメータ（材料のタイプ、厚さ等）のユーザ選択に応じて、コントローラは、データベースにクエリし、対応するパラメータ値を取得してもよい。
【００９４】
プロットおよび走査技術において深く理解されるように、出力ビームとワークピースとの間で必要な相対的運動は、可動ミラーを使用したビームの光学偏向、ガントリ、送りねじ、または他の配列を使用したレーザの物理的移動、および／またはビームではなく（またはそれに加え）、ワークピースを移動させるための機械的配列によって生産されてもよい。コントローラは、いくつかの実施形態では、ワークピースに対するビーム位置および／またはビームの処理有効性に関するフィードバックをフィードバックユニットから受信してもよく、これは、好適な監視センサに接続されるであろう。フィードバックユニットからの信号に応答して、コントローラは、ビームの経路、位置、ＢＰＰ、および／または形状を改変する。
【００９５】
加えて、レーザシステムは、ワークピースの厚さおよび／またはその上の特徴の高さを検出するための１つ以上のシステムを組み込んでもよい。例えば、レーザシステムは、２０１５年４月１日に出願された米国特許出願第１４／６７６，０７０号（開示全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に詳述されるように、ワークピースの干渉深度測定のためのシステム（またはその構成要素）を組み込んでもよい。そのような深度または厚さ情報は、例えば、処理されている材料のタイプに対応するデータベース内の記録に従って、コントローラによって、出力ビーム形状を制御し、ワークピースの処理（例えば、切断または溶接）を最適化するために利用されてもよい。
【００９６】
図２２Ａおよび２２Ｂは、本発明の実施形態による、例示的切断シナリオを描写する。本発明の種々の実施形態では、レーザシステム２０００は、異なる深度および／または異なるサイズの切断をワークピース２２００に行う、および／または一貫したサイズの切断を可変厚を有するワークピース２２００内に行うために利用される。示されるように、出力ビーム形状は、浅い切断のために、高集束スポットを有し、ワークピース２２００上のより厚い領域および／または処理ヘッド２０３０とワークピース２２００との間の角度の変化によって余儀なくされるより深い切断のために、集束解除スポットおよび／または環状形状（および／または２つ以上の明確に異なる強度ピークを伴うスポット）を有するように徐々にまたは実質的に急に変動されてもよい。例えば、図２２Ａに示されるように、出力ビームは、ワークピース２２００の表面と略垂直角度でワークピース２２００に衝打してもよく、出力ビームは、ワークピース２２００の厚さの全部または一部を通して比較的に浅い切断を行うために、高集束スポットの形状を有してもよい。また、図２２Ａに示されるように、ビームの形状は、より大きい幅の切断をワークピース２２００の中に行うために、および／または出力ビーム方向に沿ったワークピース２２００を通した距離が増加されるように、出力ビームとワークピースの表面２２００との間の角度が改変される（例えば、減少される）とき、集束解除スポットまたは環状形状に改変されてもよい。
【００９７】
種々の実施形態では、図２２Ｂに示されるように、処理ヘッド２０３０（したがって、出力ビーム）の角度は、ビームとワークピース２２００との間の相対的運動の間、ワークピース２２００のトポロジ、厚さ、および／または表面角度が変動するにつれて、一定（例えば、略垂直）に保たれ得、コントローラは、種々の処理点において、または処理経路にわたって処理ヘッド２０３０に提示される、ワークピース２２００の有効厚（すなわち、ワークピース２２００を通して、またはその中の規定された距離まで切断するために要求される切断の深度）に従って、ビーム形状を制御する。例えば、図２２Ｂの左側で処理ヘッド２０３０に提示されるワークピース２２００の厚さは、例えば、表面のトポロジに起因して、図２２Ｂの右側のものより大きく、ビーム形状は、適宜、調節される。そのような配列は、処理ヘッド２０３０および／または出力ビームがビームとワークピース表面との間の一貫した角度を提示するために再位置付けされる必要性を排除する。したがって、処理ヘッドの角度再位置付けのための複雑なロボットおよび／または他の機器ならびにそれに付随するコストおよび複雑性が、回避され得る。
【００９８】
本発明の種々の実施形態では、レーザシステムは、ワークピースの表面にわたって出力ビームを走査する必要性を最小限にまたは実質的に排除しながら、１つ以上のワークピースを溶接するために利用される。図２３Ａ−２３Ｄは、本発明の実施形態による、例示的溶接シーケンスを描写する。示されるように、出力ビーム形状２３００は、出力ビームとワークピースとの間の相対的運動の必要なく、２つのワークピース２３１０、２３２０をともに溶接するために、スポット溶接の間、より大きい面積の環状形状（図２３Ａ）から、より小さい環形（図２３Ｂ）、大集束スポット（図２３Ｃ）、より小さい面積の集束スポット（図２３Ｄ）に変動される。このように、図２３Ｄにおけるスポットサイズ２３００より大きい均一溶接（および／または少なくとも図２３Ａにおけるスポットサイズ２３００の外側境界と同じ大きさ）が、ビームがその表面に沿って走査されずに、２つのワークピース２３１０、２３２０間に形成される。種々の実施形態では、コントローラは、出力ビームの形状の変動に加え、溶接プロセスの間、ビームの出力パワーおよび／またはＢＰＰを変動させてもよい。例えば、高集束ビーム形状の出力パワーは、より集束解除されたおよび／または環状のビームの出力パワーに実質的に合致するように低減され、空間的に均一な溶接の形成を促進し得る。このように、大きな均一的な単一の溶接が、単に、ビーム形状（かついくつかの実施形態では、ビームパワー）を改変することによって、ワークピース上に生産され、同一面積にわたって複数のより小さいスポット溶接を形成する必要性（ならびに溶接毎に、ビームに対してワークピースを移動する必要性）を排除し得る。図２３Ａ−２３Ｄは、例示的スポット溶接プロセスを描写するが、本発明の実施形態は、他の処理技法およびタイプの溶接、例えば、重ね溶接およびスポット溶接を含む。加えて、図２３Ａ−２３Ｄに描写される異なるビーム形状を使用する種々の溶接ステップは、本発明の実施形態に従って、任意の順序で実施されてもよい。図２３Ａ−２３Ｄは、溶接のために利用される一連の４つの異なるビーム形状を描写するが、本発明の実施形態は、ワークピースを溶接するとき、２つ、３つ、または４つを上回る異なるビーム形状を利用してもよい。
【００９９】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語ならびに表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部のいかなる均等物をも除外する意図はなく、種々の修正が、請求される本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１６Ｇ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【国際調査報告】
2019523137.tif 000062
2019523137.tif 000063